Java反射在JVM的实现
1. 什么是Java反射，有什么用？
反射使程序代码能够接入装载到JVM中的类的内部信息，允许在编写与执行时，而不是源代码中选定的类协作的代码，是以开发效率换运行效率的一种手段。这使反射成为构建灵活应用的主要工具。
反射可以：
- 调用一些私有方法，实现黑科技。比如双卡短信发送、设置状态栏颜色、自动挂电话等。
- 实现序列化与反序列化，比如PO的ORM，Json解析等。
- 实现跨平台兼容，比如JDK中的SocketImpl的实现
- 通过xml或注解，实现依赖注入(DI)，注解处理，动态代理，单元测试等功能。比如Retrofit、Spring或者Dagger
2. Java Class文件的结构
在*.class文件中，以Byte流的形式进行Class的存储，通过一系列Load，Parse后，Java代码实际上可以映射为下图的结构体，这里可以用javap命令或者IDE插件进行查看。
- ——常量池(constant pool):类似于C中的DATA段与BSS段，提供常量、字符串、方法名等值或者符号（可以看作偏移定值的指针）的存放
- ——access_flags: 对Class的flag修饰
- ——this class/super class/interface: 一个长度为u2的指针，指向常量池中真正的地址，将在Link阶段进行符号解引。
- ——filed: 字段信息，结构体如下
- method: 提供descriptor, access_flags, Code等索引，并指向常量池：
- 它的结构体如下，详细在这里https://docs.oracle.com/javase/specs/jvms/se7/html/jvms-4.html#jvms-4.6
- 以上具体内容可以参考
- ——JVM文档https://docs.oracle.com/javase/specs/jvms/se7/html/jvms-4.html
- ——周志明的《深入理解Java虚拟机》，少见的国内精品书籍
- ——一些国外教程的解析http://viralpatel.net/blogs/tutorial-java-class-file-format-revealed/
3. Java Class加载的过程
Class的加载主要分为两步
- 第一步通过ClassLoader进行读取、连结操作
- 第二步进行Class的
<clinit>()初始化。
3.1. Classloader加载过程
ClassLoader用于加载、连接、缓存Class，可以通过纯Java或者native进行实现。在JVM的native代码中，ClassLoader内部维护着一个线程安全的HashTable<String,Class>，用于实现对Class字节流解码后的缓存，如果HashTable中已经有了缓存，则直接返回缓存；反之，在获得类名后，通过读取文件、网络上的class字节流反序列化为JVM中native的C结构体，接着malloc内存，并将指针缓存在HashTable中。
下面是非数组情况下ClassLoader的流程
- find/load: 将文件反序列化为C结构体。
Class反序列化的流程
- link: 根据Class结构体常量池进行符号的解引。比如对象计算内存空间，创建方法表，native invoker，接口方法表，finalizer函数等工作。
3.2. 初始化过程
当ClassLoader加载Class结束后，将进行Class的初始化操作。主要执行<clinit()>的静态代码段与静态变量（取决于源码顺序）。
具体参考如下：
- ——http://www.programcreek.com/2013/01/when-and-how-a-java-class-is-loaded-and-initialized/
- ——http://www.artima.com/insidejvm/ed2/lifetype.html
在完成初始化后，就是Object的构造<init>了，本文暂不讨论。
4. 反射在native的实现
反射在Java中可以直接调用，不过最终调用的仍是native方法，以下为主流反射操作的实现。
4.1. Class.forName的实现
Class.forName可以通过包名寻找Class对象，比如Class.forName("java.lang.String")。
在JDK的源码实现中，可以发现最终调用的是native方法forName0()，它在JVM中调用的实际是findClassFromClassLoader()，原理与ClassLoader的流程一样，具体实现已经在上面介绍过了。
4.2. getDeclaredFields的实现
在JDK源码中，可以知道class.getDeclaredFields()方法实际调用的是native方法getDeclaredFields0()，它在JVM主要实现步骤如下
- 根据Class结构体信息，获取
field_count与fields[]字段，这个字段早已在load过程中被放入了 - 根据
field_count的大小分配内存、创建数组 - 将数组进行forEach循环，通过
fields[]中的信息依次创建Object对象 - 返回数组指针
主要慢在如下方面
- 创建、计算、分配数组对象
- 对字段进行循环赋值
4.3. Method.invoke的实现
以下为无同步、无异常的情况下调用的步骤
- 创建Frame
- 如果对象flag为native，交给native_handler进行处理
- 在frame中执行java代码
- 弹出Frame
- 返回执行结果的指针
主要慢在如下方面
- 需要完全执行ByteCode而缺少JIT等优化
- 检查参数非常多，这些本来可以在编译器或者加载时完成
4.4. class.newInstance的实现
- 检测权限、预分配空间大小等参数
- 创建Object对象，并分配空间
- 通过Method.invoke调用构造函数(
<init>()) - 返回Object指针
主要慢在如下方面
- 参数检查不能优化或者遗漏
<init>()的查表- Method.invoke本身耗时
5. 附录
5.1. JVM与源码阅读工具的选择
初次学习JVM时，不建议去看Android Art、Hotspot等重量级JVM的实现，它内部的防御代码很多，还有android与libcore、bionic库紧密耦合，以及分层、内联甚至能把编译器的语义分析绕进去，因此找一个教学用的、嵌入式小型的JVM有利于节约自己的时间。因为以前折腾过OpenWrt，听过有大神推荐过jamvm，只有不到200个源文件，非常适合学习。
在工具的选择上，个人推荐SourceInsight。对比了好几个工具clion，vscode，sublime，sourceinsight，只有sourceinsight对索引、符号表的解析最准确。
5.2. 关于几个ClassLoader
参考http://stackoverflow.com/questions/1771679/difference-between-threads-context-class-loader-and-normal-classloader。
ClassLoader0：native的classloader，在JVM中用C写的，用于加载rt.jar的包，在Java中为空引用。
ExtClassLoader: 用于加载JDK中额外的包，一般不怎么用
AppClassLoader: 加载自己写的或者引用的第三方包，这个最常见
例子如下
最后就是getContextClassLoader()，它在Tomcat中使用，通过设置一个临时变量，可以向子类ClassLoader去加载，而不是委托给ParentClassLoader
最后还有一些自定义的ClassLoader，实现加密、压缩、热部署等功能，这个是大坑，晚点再开。
5.3. 反射是否慢？
在Stackoverflow上认为反射比较慢的程序员主要有如下看法
- 验证等防御代码过于繁琐，这一步本来在link阶段，现在却在计算时进行验证
- 产生很多临时对象，造成GC与计算时间消耗
- 由于缺少上下文，丢失了很多运行时的优化，比如JIT(它可以看作JVM的重要评测标准之一)
当然，现代JVM也不是非常慢了，它能够对反射代码进行缓存以及通过方法计数器同样实现JIT优化，所以反射不一定慢。
更重要的是，很多情况下，你自己的代码才是限制程序的瓶颈。因此，在开发效率远大于运行效率的的基础上，大胆使用反射，放心开发吧。
参考文献
- ——http://www.codeceo.com/article/reflect-bad.html
- ——http://blog.csdn.net/lmj623565791/article/details/43452969
- ——http://codekk.com/open-source-project-analysis/detail/Android/Trinea/%E5%85%AC%E5%85%B1%E6%8A%80%E6%9C%AF%E7%82%B9%E4%B9%8BJava%20%E6%B3%A8%E8%A7%A3%20Annotation
- ——http://www.trinea.cn/android/java-annotation-android-open-source-analysis/